Способ голографической визуализации обтекания движущегося тела



Способ голографической визуализации обтекания движущегося тела

 


Владельцы патента RU 2502950:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский государственный энергетический университет" (ФГБОУ ВПО "КГЭУ") (RU)

Способ реализуют посредством двухлучевого интерферометра с оптической системой для формирования опорного и объектного пучков, системой зеркал, установленных вдоль опорной и объектной ветвей, рабочей зоной, проекционным объективом и узлом регистрации голограммы. Голограмму регистрируют двухэкспозиционным методом. При первой экспозиции исследуемое движущееся тело в рабочей зоне отсутствует. Рабочую зону образовывают при помощи первой и второй плоскопараллельных пластин-зеркал, образующих с оптической осью равные углы, но противоположные по знаку. При второй экспозиции в рабочую зону сквозь отверстие, выполненное во второй плоскопараллельной пластине-зеркале, направляют тело, движущееся со сверхзвуковой скоростью, газодинамическое течение около которого исследуется, причем в это время в рабочей зоне распространяют объектный пучок, вектор E которого параллелен вектору V скорости исследуемого движущегося тела, но противоположен по направлению. Технический результат - расширение технологической возможности способа голографической визуализации обтекания движущихся тел за счет получения распределении плотности в радиальном направлении путем фронтального просвечивания газодинамического течения. 1 ил.

 

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в физике горения при исследовании процессов смешения, воспламенения и горения топлив, визуализации факелов пламени, истекающих из форсунок, в экспериментальной газовой динамике, на баллистических установках при изучении обтекания тел при сверхзвуковых скоростях, а также в других аналогичных областях.

Известен способ голографической визуализации обтекания движущихся тел на баллистических установках (см. В.Т. Черных. «Голографическая интерферометрия фазовых объектов» - Л.: «Наука», Ленинград. отд.-е, 1979 г. / А.Ф.Белозеров и др., с. 168-170 и 212-216) путем последовательной записи на регистрирующей среде объектной волны, прошедшей сквозь газодинамическое течение, и опорной волны.

Известен также способ голографической визуализации обтекания движущихся тел (см. Р. Кольер, К. Беркхарм, Л. Лин, «Оптическая голография» - М.: Мир, 1973 г., с.479), в котором последовательная регистрация объектной и опорной волн на регистрирующей среде производится двухэкспозиционным методом.

Наиболее близким техническим решением является способ голографической визуализации обтекания движущегося тела в условиях аэробаллистической установки (см. В.Т. Черных «Исследование движения тел в двухфазных потоках голографическим методом. / Духовский И.А., Ковалев П.А. и др., «Оптика и спектроскопия», т.63, в.5, с.1005-1008, 1987 г.) посредством двухлучевого интерферометра, содержащего оптически связанные лазер, светоделитель для образования опорной и объектной ветвей, коллиматоры опорной и объектной ветвей, систему зеркал, установленных вдоль опорной и объектной ветвей, рабочую зону, проекционный объектив и узел регистрации голограммы, путем последовательной записи на регистрирующей среде опорного волнового фронта и объектного волнового фронта, прошедшего сквозь газодинамическое течение около движущегося тела, перпендикулярно вектору скорости потока.

Недостатком известных способов являются ограниченные технологические возможности при голографической визуализации обтекания движущегося тела, обусловленные тем, что посредством этих способов исследуемое газодинамическое течение просвечивают только по нормали к вектору скорости потока, как в меридиональной, так и в сагиттальной плоскостях. Полученные голографические интерферограммы используют для расчета распределения поля плотностей в указанных плоскостях в различных сечениях потока, как в головной ударной волне, так и в следе за движущимся телом.

Однако представляет практический интерес изучение обтекания тела, движущегося со сверхзвуковой скоростью, в том случае, когда объектный волновой фронт направляют вдоль траектории движения тела, а волновой фронт просвечивает поток навстречу вектору скорости движущегося тела.

Задачей изобретения является расширение технологической возможности способа голографической визуализации обтекания движущихся тел.

Технический результат достигается тем, что в способе голографической визуализации обтекания движущегося тела посредством двухлучевого интерферометра с оптической системой для формирования опорного и объектного пучков, системой зеркал, установленных вдоль опорной и объектной ветвей, рабочей зоной, проекционным объективом и узлом регистрации голограммы, путем последовательной записи на регистрирующей среде узла регистрации голограммы опорного пучка и объектного пучка, при этом объектным пучком просвечивает рабочую зону, движущееся тело фокусируют при помощи проекционного объектива в плоскость регистрирующей среды, а голограмму регистрируют двухэкспозиционным методом, причем при первой экспозиции исследуемое движущееся тело в рабочей зоне отсутствует, согласно предлагаемому изобретению, рабочую зону образовывают при помощи первой и второй плоскопараллельных пластин-зеркал, образующих с оптической осью равные углы, но противоположные по знаку, а при второй экспозиции в рабочую зону сквозь отверстие, выполненное во второй плоскопараллельной пластине-зеркале, направляют тело, движущееся со сверхзвуковой скоростью, газодинамическое течение около которого исследуется, причем в это время в рабочей зоне распространяют объектный пучок, вектор E которого параллелен вектору V скорости исследуемого движущегося тела, но противоположен по направлению.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показан двухлучевой интерферометр для реализации предлагаемого способа голографической визуализации обтекания движущегося тела.

Цифрами на чертеже обозначены:

1 - лазер,

2 - светоделитель,

3 - коллиматор объектной ветви,

4 - первая плоскопараллельная пластина (первое зеркало объектной ветви),

5 - вторая плоскопараллельная пластина (второе зеркало объектной ветви),

6 - проекционный объектив,

7 - узел регистрации голограммы,

8 - первое зеркало опорной ветви,

9 - второе зеркало опорной ветви,

10 - коллиматор опорной ветви,

11 - рабочая зона,

12 - отверстие, выполненное во второй плоскопараллельной пластине,

13 - исследуемое тело, движущееся со сверхзвуковой скоростью.

Двухлучевой интерферометр содержит оптическую систему для формирования опорного и объектного пучков, систему зеркал, установленных вдоль опорной и объектной ветвей. Двухлучевой интерферометр содержит оптически связанные лазер 1, светоделитель 2 для образования опорной и объектной ветвей, коллиматор 3 объектной ветви, рабочую зону 11, систему зеркал объектной ветви, проекционный объектив 6 и узел 7 регистрации голограммы, систему зеркал опорной ветви, состоящую из первого 8 и второго 9 зеркал, коллиматор 10 опорной ветви.

В двухлучевом интерферометре система зеркал объектной ветви выполнена в виде первой 4 и второй 5 плоскопараллельных пластин, образующих с оптической осью равные углы, но противоположные по знаку.

Во второй плоскопараллельной пластине 5 выполнено отверстие 12, диаметр которого больше диаметра исследуемого тела 13, движущегося со сверхзвуковой скоростью.

Система зеркал объектной ветви установлена в рабочей зоне 11, между коллиматором 3 объектной ветви и проекционным объективом 6.

Согласно предлагаемому способу голографической визуализации обтекания движущегося тела 13, при помощи описанного двухлучевого интерферометра, в плоскости регистрирующей среды узла 7 регистрации голограммы последовательно записывают опорный Wоп и объектный Wоб световые пучки. Объектным пучком Wоб просвечивают рабочую зону 11. Посредством проекционного объектива 6 фокусируют движущееся тело 13 в плоскость регистрирующей среды узла 7 регистрации голограммы. Голограмму регистрируют двухэкспозиционным методом, причем при первой экспозиции исследуемое движущееся тело 13 в рабочей зоне 11 отсутствует. Рабочую зону 11 образовывают при помощи первой 4 и второй 5 плоскопараллельных пластин-зеркал, образующих с оптической осью равные углы, но противоположные по знаку.

При второй экспозиции в рабочую зону 11 сквозь отверстие 12, выполненное во второй плоскопараллельной пластине-зеркале 5, направляют тело 13, движущееся со сверхзвуковой скоростью, газодинамическое течение около которого исследуется. В это время в рабочей зоне 11 распространяют объектный пучок Wоб, вектор E которого параллелен вектору V скорости исследуемого движущегося тела, но противоположен по направлению.

Пример конкретного выполнения.

Когерентное излучение от лазера 1 посредством светоделителя 2 делится на опорный Wоп и объектный Wоб световые пучки. Это пучки поступают, соответственно, в коллиматоры 3 и 10 объектной и опорной ветвей. Далее объектный пучок Wоб отражается от первой плоскопараллельной пластины (зеркала) 4, просвечивает рабочую зону 11 и, отразившись от второй плоскопараллельной пластины (зеркала) 5, поступает в проекционный объектив 6. Проекционный объектив 6 сопрягает плоскость рабочей зоны 11 с плоскостью регистрирующей среды узла 7 регистрации голограммы.

Опорный пучок Wоп с помощью зеркал 8 и 9 вводится в коллиматор 10 опорной ветви. Опорный пучок Wоп поступает в плоскость регистрирующей среды узла 7 регистрации голограммы под некоторым углом θ к объектному пучку Wоб.

Голограмму регистрируют двухэкспозиционным методом.

За время первой экспозиции объект исследования (исследуемое движущееся тело 13) в рабочей зоне 11 отсутствует.

При второй экспозиции в рабочую зону 11 сквозь отверстие 12, выполненное во второй плоскопараллельной пластине (зеркале) 5, поступает тело 13, движущееся со сверхзвуковой скоростью, газодинамическое течение около которого исследуется.

Как показано на чертеже, в это время в рабочей зоне 11 распространяется объектный пучок Wоб, вектор E которого параллелен вектору V скорости исследуемого тела 13, но противоположен по направлению.

При восстановлении волновых фронтов с голограммы получают интерференционную картинку, полосы которой имеют концентрическую форму и соответствуют плоскости наблюдения, перпендикулярной оптической оси объектной ветви. Эти полосы соответствуют линиям равной плотности и будут характеризовать радиальное распределение плотности около движущегося тела.

Такое решение авторами предложено впервые в практике газодинамических исследований.

Следует отметить, что при исследовании обтекания тел (например, модель сфера), создающих осесимметричные течения, разброс по траектории движения достаточно мал, и диаметр отверстия в пластине (зеркале) 5 может превышать на несколько миллиметров диаметр тела. При решении других баллистических задач диаметр отверстия в пластине (зеркале) 5 должен выбираться с учетом разброса траектории движения тела.

Таким образом, создан новый способ, позволивший расширить технологические возможности при голографической визуализации обтекания движущегося тела.

Использование предлагаемого способа позволит получать голографические интерферограммы, соответствующие фронтальному просвечиванию газодинамического течения, и тем самым получать количественные сведения о распределении плотности в радиальном направлении.

Способ голографической визуализации обтекания движущегося тела посредством двухлучевого интерферометра с оптической системой для формирования опорного и объектного пучков, системой зеркал, установленных вдоль опорной и объектной ветвей, рабочей зоной, проекционным объективом и узлом регистрации голограммы, путем последовательной записи на регистрирующей среде узла регистрации голограммы опорного пучка и объектного пучка, при этом объектным пучком просвечивает рабочую зону, движущееся тело фокусируют при помощи проекционного объектива в плоскость регистрирующей среды, а голограмму регистрируют двухэкспозиционным методом, причем при первой экспозиции исследуемое движущееся тело в рабочей зоне отсутствует, отличающийся тем, что рабочую зону образовывают при помощи первой и второй плоскопараллельных пластин-зеркал, образующих с оптической осью равные углы, но противоположные по знаку, а при второй экспозиции в рабочую зону сквозь отверстие, выполненное во второй плоскопараллельной пластине-зеркале, направляют тело, движущееся со сверхзвуковой скоростью, газодинамическое течение около которого исследуется, причем в это время в рабочей зоне распространяют объектный пучок, вектор E которого параллелен вектору V скорости исследуемого движущегося тела, но противоположен по направлению.



 

Похожие патенты:

Изобретение может быть использовано при измерении малых разностей хода (менее 0,1λ длины волны) слабых оптических неоднородностей в прозрачных средах, например, при обтекании тел в потоках малой плотности, распыливании топлива из форсунок в разреженное пространство, изучении процессов смешения, воспламенения и горения топлив, обнаружении диффузных пограничных слоев.

Изобретение относится к оптике для визуализации фазовых (прозрачных) объектов и может быть использовано при исследовании газовых потоков, контроля качества оптических элементов.

Изобретение относится к оптическому приборостроению ,в частности, к устройствам для исследования фазовых объектов. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности в машиностроении, приборостроении. .

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к устройствам для получения JI анализа оптических изображений.Цель изобретенияповышение производительности устройства путем получения изображений для всех направлений дифракционных полос объекта.

Изобретение относится к теневым, интерференционным и фазово-контрастным устройствам. .

Изобретение относится к приборам для изучения оптических неоднородностей в прозрачных средах. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения контура сечения прозрачных оптических элементов. .

Изобретение может быть использовано при измерении малых разностей хода (менее 0,1λ длины волны) слабых оптических неоднородностей в прозрачных средах, например, при обтекании тел в потоках малой плотности, распыливании топлива из форсунок в разреженное пространство, изучении процессов смешения, воспламенения и горения топлив, обнаружении диффузных пограничных слоев.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к оптическим устройствам измерения, и может быть использовано для измерения деформаций плоской поверхности элементов твердотельной электроники.

Изобретение относится к области испытания светочувствительных материалов, а именно к методам и средствам резольвометрии с использованием когерентных источников света, и может быть использовано в автоматизированных системах тестирования фоторегистрирующих материалов и сред.

Изобретение относится к голографической измерительной технике, предназначено для контроля оптических систем и может найти применение в оптическом приборостроении.

Изобретение относится к приборостроению, в частности, к технике термопластической записи информации. .
Изобретение относится к технической физике и может быть использовано при контроле багажа. .

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для контроля волновых аберраций положительных линз и объективов и может найти применение в производстве, занятом их изготовлением.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано для контроля неплоскостности кольцевых поверхностей. В способе голографического контроля формируется первый опорный пучок с помощью светоделителя и зеркал и объектный пучок, включающий проекционный объектив, рабочую зону и узел регистрации голограммы. Кроме того, формируют второй опорный пучок за счет введения оптически связанной между собой системы зеркал, вводят экранирующую шторку, имеющую отверстие в центре, и размещают с возможностью вывода из объектного пучка, непрозрачную шторку размещают в первом опорном пучке, систему зеркал второго опорного пучка устанавливают между рабочей зоной и узлом регистрации голограммы, экранирующую шторку устанавливают между проекционным объективом и рабочей зоной, а непрозрачную шторку устанавливают перпендикулярно оптической оси между светоделителем и зеркалом первого опорного пучка с возможностью вывода ее из первого опорного пучка при регистрации голограммы. Технический результат - контроль величины неплоскостности полированных металлических и графитовых поверхностей деталей. 3 ил.
Наверх